KR200203168Y1 - 탄성체 구조물 - Google Patents

Abstract

탄성과 충격 흡수 성능이 우수한 탄성체 구조물이 개시되어 있다. 본 고안에 따른 탄성체 구조물은 폴리스티렌이 포함된 폴리우레탄 중합체의 발포체로 이루어지며 내부가 공기를 포함하는 다수의 기포로 이루어진다. 이는 폴리스티렌이 포함된 폴리올 혼합물에 이소시아네이트 화합물을 첨가하고 교반한 후 얻어지는 결과물을 몰드에 붓고 발포 성형함으로써 제조된다. 제조되는 탄성체 구조물을 사용하여 매트리스를 제조하면 탄성이 우수하고 압력을 독립적으로 흡수할 수 있어서 사용자에게 쾌적하고 안락한 사용감을 제공해 주게 된다.

Description

탄성체 구조물{Elastic Body}

본 고안은 탄성체 구조물에 관한 것으로서, 상세하게는 적절한 탄성을 가지며 각종 첨가제를 장시간 보유할 수 있어서 침대용 매트리스 등으로 용이하게 사용될 수 있는 탄성체 구조물에 관한 것이다.

일반적으로 침대용 매트리스의 탄성지지 수단으로는 철재 코일 스프링, 폴리우레탄이나 라텍스의 고밀도 스폰지 블록 또는 고무공을 주로 사용하고 있다.

철재 코일 스프링은 장시간 동안 우수한 탄성을 제공해 줄 수 있기 때문에 가장 널리 사용되는 탄성지지 수단이다. 그런데, 다수개의 스프링이 상호간에 연결되어 사용되기 때문에, 어느 한 부분에 압력이나 충격을 가하면 매트리스 전체가 흔들려 안정감을 주지 못한다는 문제가 있다. 또한 금속성 소음으로 인하여 이용자의 분위기를 해치고 철재 코일 스프링이 매트리스의 상면을 뚫고 나와 침구를 훼손시키는 경우도 있어서 문제가 되기도 한다.

폴리우레탄이나 라텍스의 고밀도 스폰지 블록을 사용한 침대용 매트리스는 금속성 소음이 없고 쾌적하고 부드러운 잠자리를 제공해 준다는 장점이 있다. 그러나 시간이 경과함에 따라 탄성력이 떨어지고, 집중적으로 사용한 부분의 복원력이 떨어져 가장자리 부분등 여러 부분과 비교하여 탄성력이 불균일해 진다는 문제점이 있다.

또한 내부가 하나의 공간으로 이루어진 고무공이나 내부가 다수의 공간으로 이루어진 에어볼을 사용한 매트리스는 상기 스프링이나 폴리우레탄 스폰지 블록과는 또다른 쾌적함과 탄성을 제공해 줄 수 있는 탄성지지 수단이다. 그러나 시간이 경과함에 따라 고무공이나 에어볼에서 공기가 빠져나가면서 탄성력이 떨어지고, 기후의 영향에 의하여 탄성력이 불균일해 진다는 문제점이 있다. 또한 공기가 빠지면 공기를 주입해 주거나 교환해야 하기 때문에 보수가 번거롭고 경비가 소요된다는 문제도 가지고 있고 고무 재질의 노화에 의한 고무 특유의 냄새 때문에 실내 환경을 해치는 문제점이 있다.

이와 같이 각 탄성지지 수단이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 본 고안자는 1996년 8월 9일자로 출원되고 1998년 11월 9일자로 등록된 대한민국 실용신안 공보 제 0135979호에 폴리우레탄계와 고무계의 스폰지 피막과 공기 구멍이 있는 망상 구조의 통기성 스폰지 탄성체 단독 구조물을 개시한 바 있다. 이는 오랜 시간이 경과하거나 기후가 변화하여도 탄성력이 일정하게 유지되고, 노화에 의한 냄새 발생이 없으며, 적절한 탄성과 부드러움을 제공해 주기 때문에 기존의 탄성지지 수단에 비하여 탁월하게 우수한 쾌적함을 제공해 줄 수 있는 것이다. 또한 상기 고안에서는 독립적으로 형성된 다수개의 탄성체를 매트리스 형태로 배열시키고 이들을 지지 및 포장하는 것에 의해 매트리스를 제조하고 있다. 이에 따라 자고 있는 사람이 움직여도 그 진동이 옆사람에게 전해지지 않기 때문에 우아하고 조용한 잠자리를 제공받을 수 있게 된다.

도 1a 및 1b에는 이러한 통기성 스폰지 탄성체 단독 구조물의 사시도 및 내부의 기포 구조를 나타내기 위한 단면도를 나타내었다.

도 1a를 참조하면, 상기 탄성체 구조물(10)은 전체적으로 원통형 형상을 갖되, 중심 부분이 오목한 오목부(14)로 이루어지고 상부와 하부가 볼록한 두 개의 볼록부(12, 13)를 가지며 상기 각 볼록부(12, 13)는 상단부(16)와 하단부(17)가 절단된 구형 형상을 갖는다. 이러한 탄성체 구조물(10)은 재료와 구조의 특성상 우수한 탄성을 가지는데, 도 1a 로부터 알 수 있는 바와 같이 특히 중심 부분에 오목부(14)를 갖기 때문에 신축성과 탄성이 조화를 이루어 사용자에게 쾌적한 느낌을 제공해 줄 수 있게 된다.

그런데, 이러한 구조물은 기포의 피막에 의한 탄성체이기 때문에 외부로부터의 충격에 대한 흡수력이 약하여 거칠게 반발하는 경향이 있다. 또한 스폰지 망상구조의 각 기포가 인접된 기포와 연결되어 있어서 통기성을 갖기 때문에 항균제, 향료 등을 첨가하면 연결 통로를 통하여 공기 중으로 쉽게 휘발되어 장시간 사용하면 각종 첨가제가 제공해 주는 효과가 감소된다는 문제점이 있다.

도 1b를 참조하면, 상기 탄성체 구조물(10)의 내부 구조를 확대된 단면도로 볼 수 있는데, 이는 다수의 기포(16)로 구성되어 있고 이들 기포(16)는 통기성을 갖기 때문에 인접 기포간에 공기가 통할 수 있는 것이다. 참고로, 각 기포는 편의상 구형으로 도시한 것일 뿐이며 실제로는 소정의 공간을 갖도록 다양한 형태로 형성된다.

본 고안에서는 상기한 문제점을 감안하여 장시간 동안 사용하여도 적절한 탄성을 유지할 수 있으며 항균제, 향료 등과 같은 첨가제를 장시간 동안 함유할 수 있는 탄성체 구조물을 제공하고자 한다.

도 1a 및 1b는 종래의 탄성 단독 구조물의 사시도 및 내부의 기포 구조를 나타내기 위한 단면도이다.

도 2a 및 2b는 본 고안에 따른 탄성체 구조물의 사시도 및 내부의 기포 구조를 나타내기 위한 단면도이다.

도 3은 본 고안에 따른 탄성체 구조물을 사용하여 제조된 매트리스의 개략적인 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 20: 탄성체 구조물 12, 22: 볼록부

14, 24: 오목부 16, 26: 통기성 기포

27: 독립 기포 30: 지지체

41, 42: 완충용 스폰지 50: 포장재

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는

폴리스티렌이 포함된 폴리우레탄 중합체의 발포체로 이루어지며 내부가 공기를 포함하는 다수의 기포로 이루어지는 탄성체 구조물을 제공한다.

이하, 본 고안을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 및 2b에는 본 고안에 따른 탄성체 구조물의 사시도 및 내부의 기포 구조를 나타내기 위한 단면도를 나타내었다.

도 2a를 참조하면, 상기 탄성체 구조물(20)은 전체적으로 원통형 형상을 갖되, 중심 부분이 오목한 오목부(24)로 이루어지고 상부와 하부가 볼록한 두 개의 볼록부(22, 23)를 가지며 상기 각 볼록부(22, 23)는 상단부(26)와 하단부(27)가 절단된 구형 형상을 갖는다.

본 고안에 따른 탄성체 구조물은 폴리스티렌을 포함하는 폴리우레탄 중합체의 발포체로 이루어지며 내부가 공기를 포함하는 다수의 기포로 이루어진다. 이는 적절한 탄성과 반발력을 제공해 줄 수 있도록 가운데 부분이 오목한 형상을 갖는데, 이 오목부가 없이 원통형 구조를 가지면 구조물 자체의 탄성이 현저하게 감소하고 조립시 인접되는 구조물과 측면이 모두 접촉하게 되어 탄성을 원활하게 발휘할 수 있는 공간이 없으므로 충분한 성능을 얻을 수 없다.

또한 상기 오목부의 사이즈 및 오목부와 볼록부가 이루는 경사각을 적절히 조절함으로써 탄성과 안정감 등을 포함하여 사용자의 만족도를 최상으로 충족시켜 줄 수 있다. 본 고안자의 반복적인 실험 결과 상기 오목부의 높이(a)는 상기 탄성체 구조물 높이(b)의 3-50% 범위인 것이 바람직하다. 오목부의 높이가 너무 높아서 50%를 초과하면 탄성과 안정감이 현저하게 감소되며 수명이 단축된다. 더욱 바람직하게는 10% 정도가 되도록 한다. 상기 오목부의 직경(c)은 상기 볼록부 직경(d)의 30-98% 범위인 것이 바람직하다. 오목부의 직경이 볼록부의 직경의 30% 미만이면 압력이 가해질 때 위, 아래가 뒤틀리고 안정감이 없게 된다. 더욱 바람직하게는 85-90% 범위가 되도록 한다.

또한 상기 오목부와 상기 볼록부가 이루는 경사각(28)은 너무 작으면 탄성도가 저하되고, 반면에 너무 크면 안정감이 저하되고 이후 지지대를 오목부에 부착시 작업성이 떨어진다. 이러한 요인을 고려할 때 경사각(28)은 5-60°범위로 설정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 15°정도로 설정하도록 한다.

도 2b를 참조하면, 상기 탄성체 구조물(20)의 내부 구조를 확대된 단면도로 볼 수 있는데, 이는 다수의 통기성 기포(26) 및 독립 기포(27)로 구성되어 있다. 통기성 기포(26)는 통기성을 갖기 때문에 인접 기포간에 공기가 통할 수 있고 독립 기포(27)는 인접 기포와 독립된 기포이므로 통기성을 갖지 못하여 공기가 통할 수 없다.

본 고안에 따른 탄성체 구조물(20)은 종래와는 달리 내부에 다수의 독립 기포(27)를 포함하고 있는데 이는 반발 탄성을 감소시켜 충격 흡수력을 향상시켜 주며, 항균제와 향료 등과 같은 첨가제를 장기간 동안 함유하여 이들이 제공해 주는 효과를 장시간 동안 얻을 수 있게 해준다. 한편, 통기성 기포(26)는 공기가 자유롭게 유입 및 배출될 수 있기 때문에 압력이 가해졌을 때 압축되어 공기가 배출되었다가 압력이 제거되면 다시 공기가 주입되어 원상태로 회복된다. 따라서 시간이 경과하더라도 공기를 재주입 시킬 필요가 없으며 기후 조건등 외부 온도에 따라 탄성이 가변적으로 변화되므로 기후의 영향에 따라 탄성력이 불균일해질 염려가 없다.

그런데, 독립 기포(27)가 너무 많으면 탄성이 적어지기 때문에 이들간의 비율을 적절한 수준으로 조절할 필요가 있는데 바람직하게는 통기성 기포를 부피비로 65% 이상 포함시키며 독립 기포를 부피비로 35% 이하 포함시키도록 한다. 더욱 바람직하게는 독립 기포의 비율을 부피비로 약 10% 정도가 되도록 한다. 참고로, 각 기포는 편의상 구형으로 도시한 것일 뿐이며 실제로는 소정의 공간을 갖도록 다양한 형태로 형성된다. 또한 통기성 기포는 단면도상에서 네 부분이 대칭적으로 열린 형태로 도시되었는데, 이 또한 특정 부위에 대한 한정 없다. 적절한 부위에 적절한 개수로 열린 구멍을 갖도록 형성됨을 이해해야 할 것이다.

이와 같은 형상을 갖는 탄성체 구조물의 인장 강도는 0.2-8kg/cm²인 것이 바람직하다. 만약 인장 강도가 0.2kg/cm²보다 작으면 푸석 푸석한 느낌이 나며 완충 작용을 충분히 할 수 없다는 문제가 있고 만약 인장 강도가 8kg/cm²보다 크면 너무 딱딱해져서 바람직하지 못하므로 상기한 범위인 것이 바람직하다. 또한 연신율은 50% 이상인 것이 바람직하게 적용될 수 있는데, 이는 연신율이 50% 보다 낮으면 신축성이 좋지 못하기 때문이다. 200-300% 범위인 것이 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.

이하, 본 고안에 따른 탄성체 구조물의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저 글리콜, 글리세린, 솔비톨 등과 같은 다가 알코올 및 폴리에테르를 3-5 : 5-7의 중량비로 혼합하여 교반함으로써 폴리에테르 폴리올 화합물을 제조하는데, 메틸 알코올 등과 같은 용매를 사용하도록 한다. 얻어지는 폴리에테르 폴리올 화합물 30-50 중량부에 폴리스티렌 2-20 중량부, 미량의 촉매 및 물을 첨가하여 폴리올 혼합물을 제조한다. 폴리올 혼합물의 바람직한 점도는 40℃에서 1100±300 cps 이다. 폴리스티렌은 탄성체 구조물의 탄성을 높이기 위하여 첨가한다. 폴리스티렌의 첨가 없이 폴리에테르 폴리올 화합물을 사용하여 우레탄 발포 반응을 수행하면 약 30% 정도의 기포가 독립 기포로 얻어지는데, 폴리스티렌은 이 독립 기포를 열어서 통기성 기포로 만들어 주는 역할을 하는 것으로 이해된다. 따라서, 적절한 비율의 독립 기포를 얻기 위하여 폴리스티렌의 첨가량을 적절하게 조절해야 한다.

촉매로는 아민 화합물을 사용하도록 하는데, 더욱 바람직하게는 아미노산 모노머를 사용하도록 하며 이의 바람직한 첨가량은 0.3-3 중량부 범위이다.

얻어지는 혼합물에 원한다면 향료, 항균제, 방충제 등과 같은 첨가제를 적절한 양만큼 첨가하고 교반하도록 한다. 향료로서는 장미향, 라일락향, 란향, 허브향 등과 같이 정신을 맑게 해주고 스트레스를 해소해 줄 수 있는 천연향을 포함하여 인체에 해가 없는 모든 향이 예외 없이 적용될 수 있으며, 액체향보다는 지속성이 우수한 고체향이 바람직하다. 항균제로는 세균과 공기를 걸러줄 수 있는 맥반석이나 인체에 무해한 합성 항균제가 바람직하게 적용될 수 있으며, 방충제로서는 천연 방충제, 합성 방충제를 포함하여 모든 방충제가 적용될 수 있다. 그 외에도 곰팡이 방지제, 탈취제 등과 같은 다양한 첨가제가 적용될 수 있을 것이다.

여기에 이소시아네이트 화합물을 첨가하여 폴리우레탄을 합성하면서 발포시키도록 한다. 상기 이소시아네이트 화합물로는 폴리우레탄 합성을 위해 적용되는 화합물은 모두 예외 없이 적용될 수 있는데 이의 바람직한 점도는 25℃에서 50±20 cps인 것이다. 폴리우레탄의 합성은 20-80℃의 온도 범위, 바람직하게는 약 40℃의 온도하에서 40-80 중량부의 폴리올 혼합물과 20-60 중량부의 이소시아네이트 화합물을 혼합하고 교반하는 것에 의해 수행된다. 실무적으로, 상기 폴리에테르 폴리올 화합물과 이소시아네이트를 소량씩 지속적으로 첨가하여 교반함과 동시에 몰드에 사출하여 성형한다.

교반은 약 4000-5000 rpm의 속도로 약 10초 이내로 수행하도록 하며 곧바로 몰드에 붓고 발포 성형하도록 한다. 성형 온도가 너무 낮으면 발포가 잘 되지 않고 성형 온도가 너무 높으면 얻어지는 구조체가 거칠기 때문에 바람직하지 못하다. 바람직한 성형 온도는 40±10℃ 이며 더욱 바람직한 성형 온도는 40±2℃ 이다. 사출된 일정액을 몰드에 투입하고 콘베이어로 운반하는 과정에서 실온으로 냉각시킨 후 5-10분 후에 꺼내면 본 고안에 따른 탄성체 구조물이 얻어지게 된다.

이와 같이 성형된 탄성체 구조물은 피막 부분이 약간 더 치밀하며 내부는 독립 기포와 통기성 기포를 포함하는 기포 단위로 이루어진 망상 구조를 갖는 탄성체로 얻어지게 된다.

상기한 방법에 의해 제조되는 탄성체 구조물을 사용하여 매트리스를 제조하는 방법은 다음과 같다.

도 3에는 본 고안에 따른 탄성체 구조물을 사용하여 제조되는 매트리스의 개략적인 단면도를 나타내었다.

본 고안에 따른 탄성체 구조물을 사용하여 제조되는 매트리스(100)는 크게 폴리스티렌을 포함하는 폴리우레탄 중합체의 발포체로 이루어지며 내부가 공기를 포함하는 다수의 기포로 이루어지는 탄성체 구조물(20) 다수 개를 적절한 넓이를 갖도록 인접하게 배열하여 얻어지는 탄성체 구조물 배열부(25), 상기 다수의 탄성체 구조물(20)을 지지하기 위하여 상기 탄성체 구조물(20)의 오목부에 조립되는 지지체(30), 상기 탄성체 구조물 배열부(25)의 상부 및 하부에 구비되는 판상의 구조물(41, 42) 및 상기 탄성체 구조물 배열부(25), 상기 지지체(30) 및 상기 판상의 구조물(41, 42)을 포장하기 위한 포장재(50)를 포함하여 이루어진다.

매트리스를 제조할 때, 본 고안의 탄성체 구조물은 다수 개를 배열해야 한다. 이들을 배열할 때 넘어지지 않도록 하기 위해서 일정한 간격으로 오목 부분에 대응하도록 구멍이 뚫린 상기 지지체(30)를 오목부에 맞추어 조립하게 된다. 지지체(30)의 재질로서 유연성이 없는 하드 보드를 사용하면 어느 한 쪽에서 충격이 가해질 때 그 충격이 매트리스 전체에 전달되어 옆사람에게 방해를 주므로 부드러운 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, EVA(ethylene vinyl acetate foam)와 같은 열가소성 수지가 바람직하게 적용될 수 있다. 그런데 EVA는 사용자에게 거부감을 주는 냄새가 나기 때문에 탈취제를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 판상의 구조물(41, 42)은 탄성체 구조물의 구조상 비는 부분을 보완하여 표면이 고른 매트리스를 만들기 위해 사용하게 된다. 일반 완충용 프로파일 가공한 스폰지가 사용될 수 있다. 이는 연질의 스폰지로 이루어진다.

포장재(50)는 매트리스를 바르게 유지하기 위해서 일반적으로 적용되는 소재가 사용될 수 있으며 안감, 겉감 등으로 구분하여 사용할 수도 있다. 겉감은 일반적으로 사용하는 천으로서 보통 안쪽에 인조, 면 등의 솜을 누빈 것을 사용한다.

이와 같이 제조되는 매트리스(100)는 침대용 뿐 아니라, 소파용, 의자용, 쿠션용 등으로도 다양하게 사용될 수 있을 것이다.

이하, 본 고안에 따른 탄성체 구조물의 제조 방법 및 이를 사용하여 침대용 매트리스를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.

<실시예 1>

다가 알코올과 폴리에테르 화합물을 4 : 6의 중량비로 혼합하여 폴리에테르 폴리올 화합물을 제조하였다. 폴리에테르 폴리올 화합물 11.2kg 및 폴리스티렌 3.3kg을 실온에서 혼합하고 교반한 후, 여기에 아미노산 모노머 80g과 물 25g을 첨가하여 30분 동안 교반하였다. 여기에 천연 장미향 및 맥반석을 미량 첨가하여 균일하게 혼합되도록 교반하였다.

얻어지는 혼합액 100g에 메틸렌 디이소시아네이트 30g을 40℃에서 혼합하고 약 4000-5000 rpm의 속도로 8초간 교반한 후 40℃의 온도를 유지하는 발포 금형에 사출하였다. 금형을 콘베이어로 운반하면서 실온으로 냉각하여 약 8분 후에 꺼내어 본 고안에 따른 탄성체 구조물을 수득하였다.

<적용예 1>

탈취제를 첨가하여 제조된 열가소성 EVA 스폰지로 제조된 지지체에 탄성체 구조물 직경의 간격을 두고 400개의 오목 부분에 대응하는 구멍을 뚫고 실시예 1에서 제조된 탄성체 구조물 400개의 오목부를 상기 지지체에 조립하여 이들을 판상으로 배열하였다. 이의 상부 및 하부에 일반 완충용 프로파일 가공한 스폰지인 연질의 스폰지를 각각 얹고 이를 지퍼가 달린 천으로 포장하였다. 안쪽에 인조 솜을 누빈 겉감으로 한번 더 포장하여 퀸사이즈 침대용 매트리스를 제조하였다.

이상과 같은 본 고안에 따른 탄성체 구조물은 우수한 탄성과 충격 흡수 성능을 가지며, 그 내부에 독립 기포를 포함하여 항균제, 향료 등과 같은 첨가제를 장기간 함유할 수 있게 된다.

따라서 이러한 탄성체 구조물을 채용하여 제조한 매트리스는 부드럽고 쾌적한 사용감을 주며 각 구조물에 가해지는 진동을 독립된 탄성체 구조물에서 흡수하기 때문에 사용자의 움직임이 옆사람에게 방해를 주지 않는다.

이상과 같은 탄성체 구조물의 수명은 일반 가정용 침대 매트리스에 사용된 경우를 기준으로 할 때 15년 이상으로서 내구성이 우수한 것이다.

이상에서는 본 고안의 실시예에 따라 본 고안이 설명되었지만, 본 고안의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 고안이 속하는 기술 분야의 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 폴리스티렌이 포함된 폴리우레탄 중합체의 발포체로 이루어지며 내부가 공기를 포함하는 다수의 기포로 이루어지는 탄성체 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 기포는 인접하는 기포와 연결되는 통기성 기포를 부피비로 65% 이상 포함하며 인접하는 기포와 공기가 통하지 않는 독립 기포를 부피비로 35% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체 구조물.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성체 구조물은 전체적으로 원통형 형상을 갖되, 중심 부분이 오목한 오목부로 이루어지고 상부와 하부가 볼록한 두 개의 볼록부를 가지며 상기 각 볼록부는 상단부와 하단부가 절단된 구형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성체 구조물.
4. 제3항에 있어서, 상기 오목부의 높이가 상기 탄성체 구조물 높이의 3-50% 범위인 것을 특징으로 하는 탄성체 구조물.
5. 제3항에 있어서, 상기 오목부의 직경이 상기 볼록부 직경의 30-98% 범위인 것을 특징으로 하는 탄성체 구조물.
6. 제3항에 있어서, 상기 오목부와 상기 볼록부가 이루는 경사각이 5-60°범위인 것을 특징으로 하는 탄성체 구조물.